Det senaste meddelandet från Tesla of Powerwall, dess nya litiumjonbaserade (Li-ion) -baserade batterilagringssystem har orsakat ganska rörligt. Det ökar även möjligheten att gå off-the-grid, förlita sig på solpaneler för att generera el, och lagra den med eget batteri och använda det på begäran.

Ändå är litiumjonstekniken som används av Tesla inte den enda som erbjuds. Faktum är att varje av de olika batteritekniken har sina egna styrkor och svagheter, och vissa kan till och med vara överlägsen litiumjon för heminstallationer. Här är en snabb undersökning av nuvarande batteriteknologi, och några som är i utveckling.

Batteridrift

Alla uppladdningsbara batterier består av två elektroder separerad av en elektrolyt (se diagram nedan). Två olika reversibla kemiska reaktioner uppträder vid de två elektroderna. Under laddning lagras en "aktiv art" - dvs en laddad molekyl, såsom litiumjoner för Li-ion-batterier - i anod. Vid urladdning migrerar detta till katod. Den kemiska reaktionen sker vid a potentiell som kan användas för att driva en extern krets.

Varje typ av batteriteknik kan bedömas enligt ett antal kriterier, såsom:

• Återvinningsbarhet, vilket är antalet gånger det kan laddas och släppas ut

  ---

  

  ---

• Energitäthet, som är ett mått på den energi som lagras per enhetsmassa, mätt i Watt-timmar (ett mått som representerar en Watt-effekt över en timme) per kilo (Wh / kg)

• Specifik densitet, vilken energi är lagrad per volymenhet, mätt i Watt-timmar per liter (Wh / l).

Vilken teknik som bäst passar för en viss applikation beror på kraven på den rollen.

Bly-syra

Det ursprungliga uppladdningsbara batteriet består av koncentrerad svavelsyra som elektrolyt (H?SO?), och bly (Pb) och blydioxid (PbO?) på både anod och katod, som båda omvandlas till blysulfat under laddning och urladdning.

Blybatterier används fortfarande i bilar, husvagnar och i vissa elrelänät. De har mycket hög återvinningsbarhet, sålunda en lång livstid. Detta hjälper till med kortvarig användning och konstant laddning - det vill säga att batteriet alltid hålls vid nästan 100% laddning - som det sker i en bil. Omvänt reducerar långsam laddning och urladdning väsentligt blybanans livslängd.

Även om bly är giftigt och svavelsyra är frätande, är batteriet mycket robust och sällan utgör en fara för användaren. Om den används i en bostadsinstallation, kommer dock större storlek och volymen av material att öka riskerna också.

Li-ion Tesla Powerwall kommer i 7 kilowatt-timmar (kWh) eller 10kWh versioner. För jämförelsens skull ser vi på vilken storlek batteriet skulle behövas för att driva en fyrhemshushåll som konsumerar 20kWh per dag, vilket är ungefär det nationella genomsnittet för sådana hem.

Blybatterier har en energitäthet av 30 till 40Wh / kg och 60 till 70Wh / l. Det betyder att ett 20kWh-system kommer att väga 450 till 600kg och ta upp 0.28 till 0.33 kubikmeter utrymme (ej inklusive storleken eller vikten på cellhöljet och annan utrustning). Denna volym är hanterbar för de flesta hushåll - det skulle ungefär passa in i en låda 1 x 1 x XUMUM meter - men vikten betyder att den måste vara stationär.

Lithium-ion

Det nuvarande främsta uppladdningsbara batteriet är baserat på rörelsen av litium (Li) joner mellan en porös kolanod och en Li-metalloxidkatod. Katodens sammansättning har stor effekt på batteriets prestanda och stabilitet.

För närvarande litium-koboltoxid uppvisar överlägsen laddningskapacitet. Det är emellertid mer mottagligt för nedbrytning än alternativ, såsom litium-titant eller litium-järnfosfat, även om dessa har lägre laddningskapacitet.

En vanlig orsak till fel är svullnad av katoden då Li-joner sätts in i sin struktur tillsammans med anodens plätering med litiummetall, vilket kan bli explosiva. Risken för en uppdelning kan minskas genom att begränsa laddning / urladdningshastighet, men förekomsten av bärbara batterier eller batterier som exploderar / hamnar i brand är inte ovanligt.

Batteriets livslängd beror också kraftigt på anoden, katoden och elektrolytkompositionen. I allmänhet är livslängden för Li-ion överlägsen blybatterier, med Tesla som rapporterar en livstid på 15 år (5,000-cykler, vid en cykel per dag) för sin 10 kWh Powerwall, baserat på en litium-mangan-koboltelektrod.

10kWh Tesla Powerwall väger 100kg och har dimensioner av 1.3 x 0.86 x 0.18-mätare. Så för en genomsnittlig fyrhemshushåll behöver två enheter anslutna i serie, som kommer till en totalvikt av 200kg och 1.3 x 1.72 x 0.18-mätare eller 0.4-kubikmeter, vilket är lättare än bly-syra men tar upp mer utrymme.

Dessa värden är lika med 100Wh / kg och 50Wh / l, vilket är lägre än det som rapporterats för Li-koboltoxidbatterier (150-250Wh / kg och 250-360Wh / l), men inom intervallet förknippat med säkrare och längre livslängd Li titanat (90Wh / kg) och järnfosfat (80 till 120Wh / kg).

Framtida förbättringar av litiumbatterier

Framtida batteriteknik kan förbättra dessa nummer ytterligare. Forskningslaboratorier runt om i världen arbetar för att förbättra den specifika energin, livslängden och säkerheten för litiumbaserade batterier.

Viktiga forskningsområden inkluderar förändring av katodkompositionen, såsom arbetet med litium-järn-fosfat or litium-mangan-kobolt, där olika förhållanden eller kemiska strukturer av materialen kan drastiskt påverka prestanda.

Att ändra elektrolyten, t.ex. genom att använda organiska eller joniska vätskor, kan förbättra den specifika energin, även om de kan vara kostnadseffektiva och kräver mer kontrollerad tillverkning, t.ex. i en dammfri eller luftfuktighetsstyrd / begränsad miljö.

Användningen av nanomaterial, i form av nanoserade kolanaloger (grafen och kolnanorör) Eller nanopartiklar, kan förbättra både katoden och anoden. I anoden kan högledande och starka grafen- eller kolnanorör ersätta det aktuella materialet, vilket är grafit eller en blandning som aktiveras poröst kol och grafit.

Grafen och kolnanorör uppvisar högre ytarea, högre konduktivitet och högre mekanisk stabilitet än aktivt kol och grafit. Den exakta sammansättningen av de flesta anoder och katoder är för närvarande en affärshemlighet, men kommersiella produktionsnivåer av kolnanorör antydar att de flesta telefon- och bärbara batterier för närvarande har kolnanorör som en del av deras elektroder.

Lab-baserade batterier har visat otrolig lagringskapacitet, speciellt för specifik energi (Wh / kg). Men ofta är materialen dyra eller processen är svår att skala till industrinivåer. Med ytterligare minskning av materialkostnaden och ytterligare förenkling av syntesen är det tveksamt att tillämpningen av nanomaterial fortsätter att förbättra kapaciteten, livslängden och säkerheten hos litiumbaserade batterier.

Litium-luft och litiumsulfat

Litiumsulfat och litiumluft batterier är alternativa mönster med en liknande underliggande princip för Li-ion-rörelse mellan två elektroder, med mycket högre teoretisk kapacitet.

I båda fallen är anoden en tunn skiva av litium medan katoden är Li?O? i kontakt med luft i Li-air, och aktivt svavel i Li-S-batterier. Förutsedd maximal kapacitet är 320Wh / kg för Li-ion, 500Wh / kg för Li-S och 1,000Wh / kg för Li-air.

De specifika energierna är relaterade till litiumvikten på anoden och katoden (ersätter grafit / kol och övergångsmetalloxider) och den höga redox potential mellan elektroderna.

Med anoden i dessa batterier är litiummetall, kan den stora mängden litium som krävs för ett bostadsskala 20kWh-batteri (18kg för Li-air och 36kg för Li-S) begränsa användningen till mindre enheter i kort-till-mediet termin.

Natriumjon och Magnesiumjon

Litium har atomnummer 3 och sitter i rad 1 av periodiska systemet. Direkt nedan är natrium (Na, atomnummer 11).

Na-ion batterier anses vara livskraftiga alternativ till Li-ion, främst på grund av den relativa överflödigheten av natrium. Katoden består av Na-metalloxid, såsom natrium-järnfosfat, medan anoden är poröst kol. På grund av Na-jonens storlek kan grafit inte användas i anoden och kolnanomaterial undersöks som anodmaterial. Dessutom är massan av natrium större än Li, så laddningskapaciteten per massa och volym är i allmänhet lägre.

Magnesium sitter till höger om natrium på det periodiska systemet (Mg, atomnummer 12) i rad 2, vilket betyder att det kan existera i lösning som Mg²? (jämfört med Li^^ och Na^^). Med dubbel laddning av Na kan Mg producera dubbelt så mycket elektrisk energi för en liknande volym.

Mg-jonbatteriet består av en Mg-sliveranod och en Mg-metalloxidkatod och har a förutsagt maximalt specifik energi på 400Wh/kg. Den nuvarande forskningens flaskhals är att den dubbla laddningen på Mg²? gör det trögare att röra sig genom elektrolyten, vilket saktar ner laddningshastigheten.

Flödesbatterier

Ett flödesbatteri består av två lagertankar fyllda med elektrolyt åtskilda av a protonbytesmembran, vilket möjliggör flödet av elektroner och vätejoner, men begränsar blandningen av elektrolyten i lagertankarna. Exempel på dessa innefattar vanadin-vanadin med sulfat eller bromid, zinkbrom och bromväte.

Vanadiumflödesbatterier har mycket långa livslängder med att systemet är väldigt stabilt. De kan uppskalas nästan obestämt, men kräver en pump att cykla elektrolyten runt lagertanken. Detta gör dem immobile.

Vanadiumflödesbatterier har specifika energier inom intervallet 10-20Wh / kg och energitäthet 15-25Wh / l. Det betyder att för att driva ett 20kWh-hushåll behöver du ett batteri med massa 900-1800Kg, vilket tar upp 0.8-1.33m³.

Med hög pålitlighet men hög massa är vanadiumflödescellbatteriet mer lämpligt för stora tillämpningar som små kraftverk än bostadsbruk.

På kort sikt är det troligt att Li-ion-batterierna fortsätter att förbättras, och kan till och med nå 320Wh / kg. Framtida teknologier har möjlighet att leverera ännu högre specifik energi- och / eller energitäthet, men förväntas komma in på marknaden först i mindre enheter innan de flyttas mot bostadsenergilagring.

Om författaren

Cameron Shearer är forskarassistent i fysikvetenskap vid Flinders University. Han undersöker för närvarande tillämpningen av nanomaterial i solceller och batterier.

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.